JP2009231341A - アニール装置、ＳｉＣ半導体基板の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課題】ＳｉＣ半導体基板の表面荒れを起こさない熱処理技術を提供する。
【解決手段】
ＳｉＣ半導体基板１０を配置する加熱容器２１の蓋部４１の裏面にＳｉＣを露出させ、ＳｉＣ半導体基板１０の不純物層が形成された表面をＳｉＣと対面させた状態で加熱し、熱処理を行なう。高温のＳｉＣ半導体基板１０の表面からＳｉが脱離しても、対面する蓋部４１のＳｉＣから脱離したＳｉがＳｉＣ半導体基板１０の表面に取り込まれるので、表面あれを防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明はＳｉＣ半導体基板を熱処理する技術に係り、特に、熱処理の際のＳｉＣ半導体基板の表面荒れを防止する技術に関する。

シリコン・カーバイドと呼ばれるＳｉＣ材料は、セラミックス材料として、ディーゼルエンジンの排ガス用フィルターや高温ファンの羽根等の使用環境が高温の部品に使用されているが、近年では、シリコンに比べて高耐圧，低損失で，素子の消費電力を低減することができることから、高性能半導体材料として注目されている。

特に、パワー半導体に使用した場合、シリコンよりも熱伝導率が高いので冷却のためのファンが不要になったり高温でも使用できる等、熱伝導性、耐熱性に優れる他、耐薬品性、耐放射線性にも優れており利点は多い。

しかし、ＳｉＣ半導体素子としてショットキーダイオードは初期から試作されているものの、主流と目されるＭＯＳＦＥＴは近年漸く試作された。
ＭＯＳＦＥＴの作成が困難な理由は、第一に半導体素子中を流れる電流を制御するチャネル部の抵抗が高いことであり、第二はＳｉＣウエハーの欠陥の密度が高いことが挙げられる。

ｎ型ＳｉＣの形成にはリン（Ｐ）等のＶ族元素不純物をＳｉＣに添加する必要があるが、これらの不純物の熱拡散係数は極めて小さく、Ｓｉ素子製造で従来から使われている熱拡散法ではＳｉＣ内に導入できない。

そこで不純物を導入するために、不純物をイオン化し、イオン注入する技術が使用されているが、イオン注入後、ＳｉＣ半導体基板をアニール処理し、注入にともなって導入された結晶欠陥を回復させ、かつドーピングされた不純物原子を電気的に活性化させるア二ール処理が行なわれる。

ＳｉＣ半導体基板中の不純物の活性化のためには、通常１５００℃以上の高温が必要とされている。しかし、このような高温においては、ＳｉＣ半導体基板自体の表面からＳｉが脱難し、表面荒れが生じてしまう。

このような表面荒れが生じたＳｉＣ半導体基板を用いてＭＯＳデバイスを作成した場合、チャンネル部上の酸化膜とＳｉＣの界面が平坦でなくなるため、電子の移動度が低くなり、デバイス特性を低下させてしまう。したがって、アニール後のＳｉＣ半導体基板の表面はできるだけ平坦であることが望ましい。

このため、従来技術では、１）ア二ール温度までの温度上昇時間及びアニール後の温度降下時間を極力短くして表面荒れを抑える方法や、２）図６に示すように、ＳｉＣ半導体基板１１１のイオン注入層１１２の表面に、カーボンあるいはＤＬＣ膜等の保護膜１１３を形成した状態でアニール処理を行ない、保護膜１１３によってＳｉの脱離を防止する方法が用いられている。

しかし、１）の方法においては、昇温、あるいは降温時間を短くしても、温度を高温に保持するア二ール時にどうしても表面荒れが生じてしまう。また、降温速度を大きくすると、ＳｉＣ半導体基板が割れ易いという新たな問題を生じてしまう。
また、２）の方法においては、保護膜の形成や除去のための工程が必要となるため、プロセスが非常に煩雑になってしまうという問題点があった。
国際公開第９７／３９４７６号パンフレット

本発明の課題は、不純物がイオン注入されたＳｉＣ半導体基板を高温に保持してア二ールする際に、ＳｉＣ半導体基板表面からのＳｉ原子の蒸発にともなって引き起こされるウエハー表面荒れを抑制し、平坦な表面を保ったままドーピングされた不純物原子を電気的に活性化させる技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、加熱容器と、前記加熱容器を加熱する加熱装置を有するアニール装置であって、前記加熱容器は、底面上にＳｉＣ半導体基板が配置される容器本体部と、前記容器本体部の開口上に配置され、裏面が前記ＳｉＣ半導体基板の表面と対面する蓋部とを有し、前記蓋部の前記ＳｉＣ半導体基板と対面する部分はＳｉＣが露出されたアニール装置である。
また、本発明は、前記加熱容器内の前記ＳｉＣ半導体基板を取り囲む前記容器本体部の側壁部の表面にはＳｉＣが露出されたアニール装置である。
また、本発明は、ＳｉＣ半導体基板を加熱して前記ＳｉＣ半導体基板の熱処理を行なう熱処理方法であって、前記ＳｉＣ半導体基板の不純物層が形成された表面を、ＳｉＣが露出する蓋部と対面させ、前記ＳｉＣ半導体基板と前記蓋部とを加熱する熱処理方法である。
また、本発明は、前記ＳｉＣ半導体基板を内周面にＳｉＣが露出するリング状の側壁部によって取り囲み、前記蓋部を加熱する際に前記側壁部を加熱する熱処理方法である。

ＳｉＣ半導体基板表面荒れが防止されるので、高速動作するＭＯＳＦＥＴを形成できるＳｉＣ半導体基板が得られる。
イオン注入されたＳｉＣ半導体基板表面に保護膜を形成する必要がないため、保護膜の形成、除去といった煩雑な工程を省略することができ、デバイスプロセス工程が簡略化する。
また、形成された保護膜自体のストレスで導入される結晶欠陥や、保護膜の形成、除去のプロセスにともない導入される結晶欠陥の心配が全くないため、高品質な、歩留まりの高いデバイスを作成することができる。

図２の符号１は、本発明のアニール装置を示している。このアニール装置１はアニール室１５と加熱装置７０と加熱容器２１とを有している。加熱容器２１はアニール室１５の内部に配置されている。

加熱容器２１は容器本体部３１と蓋部４１とを有しており、容器本体部３１の開口上に蓋部４１を乗せると加熱容器２１の内部空間は、容器本体部３１の底面及び内周面と蓋部４１の底面によって取り囲まれる。

容器本体部３１の凹部底面上に処理対象のＳｉＣ半導体基板１０を配置し、容器本体部３１の開口上に蓋部４１を乗せるとＳｉＣ半導体基板１０の表面は、容器本体部３１の壁面と対面する。

図１は、加熱容器２１内に配置されるＳｉＣ半導体基板１０の断面図である。このＳｉＣ半導体基板１０は、イオン注入法によって表面にＮ型やＰ型の不純物が注入されており、不純物層１２が形成されている。不純物層１２の表面は平坦である。

加熱容器２１の容器本体部３１は、板状の底板３１ａと、該底板３１ａ上に設けられた環状の側壁部３１ｂとで構成されている。
底板３１ａは板状のカーボングラファイトで構成されているが、側壁部３１ｂと蓋部４１はＳｉＣで構成されており、側壁部３１ｂと蓋部４１はＳｉＣで構成され、側壁部３１ｂの内周面と蓋部４１の底面にはＳｉＣが露出されている。

ＳｉＣ半導体基板１０は、不純物層とは反対側の裏面が底板３１ａ表面と接触して容器本体部３１の内部に配置されており、ＳｉＣ半導体基板１０の不純物層の表面は蓋部４１の表面のＳｉＣと対面している。
ここでは蓋部４１の表面とＳｉＣ半導体基板１０の表面の間の距離Ｌは、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下になるようにされている。

加熱装置７０は、加熱コイル７１を有している。
加熱コイル７１は、アニール室１５の外部又はアニール室１５の内部に配置されており、加熱容器２１は、加熱コイル７１が巻き回された領域内に配置されている。

アニール室１５には、真空排気系１６とガス導入系１７とが接続されており、真空排気系１６によってアニール室１５の内部を真空排気し、加熱容器２１の内部と周囲を真空雰囲気にした後、ガス導入系１７から希ガス(ここではアルゴンガス)を導入し、ＳｉＣ半導体基板１０を１気圧の希ガス雰囲気中に置く。

加熱コイル７１は交流電源７２に接続されており、交流電源７２を動作させ、加熱コイル７１に交流電圧を印加すると、加熱コイル７１によって巻き回わされた領域に交番磁界が形成され、その領域に配置された容器本体部３１や蓋部４１の内部に誘導電流が流れ、容器本体部３１と蓋部４１が加熱される。

ＳｉＣ半導体基板１０は容器本体部３１からの熱伝導や蓋部４１からの熱輻射等によって加熱され、加熱容器２１とＳｉＣ半導体基板１０は、１５００℃〜２４００℃のアニール温度に昇温される。不純物層１２内の不純物はこの温度で電気的に活性化される(アニール処理)。

この温度ではＳｉＣ半導体基板１０の表面からＳｉ原子が蒸発によって脱離するが、加熱容器２１の側壁部３１ｂと蓋部４１の表面からもＳｉ原子が蒸発し、加熱容器２１の内部にＳｉ原子が放出されるので、ＳｉＣ半導体基板１０の表面のＳｉが脱離した後の部分に加熱容器２１から放出されたＳｉ原子が取り込まれ、ＳｉＣ半導体基板１０の表面の平坦性が維持される。

なお、アニールに際しての典型的な昇温速度は、室温から１０００℃までが１０分、１０００℃からア二ール温度までが３分、アニール温度での保持時間が３分、ア二ール温度から室温までの降温時間が３０分である。
１気圧の希ガス雰囲気で、１８００℃、３分間のアニール処理を行なったところ、ＳｉＣ半導体基板１０の表面粗さは、Ｒａ＝０．４５６ｎｍであった。

比較のため、容器本体部と蓋部がカーボングラファイトで構成され、表面にＳｉＣが露出しない加熱容器の内部に、上記と同じ構造のＳｉＣ半導体基板を配置し、同じ条件でアニール処理を行なったところ、アニール処理後のＳｉＣ半導体基板の表面粗さはＲａ＝２．１６４ｎｍであり、表面荒れが見られた。
なお、上記加熱容器２１の底板３１ａはカーボングラファイトであったが、ＳｉＣ板を用いてもよい。

また、図３のアニール装置２のように、容器本体部３２の環状の側壁部３２ａと加熱容器２２の蓋部４２の表面のＳｉＣ表面に凹凸５２ａ、５２ｂをそれぞれ設け、ＳｉＣ半導体基板１０の表面が、凹凸５２ａ、５２ｂを有するＳｉＣ露出面で囲まれるようにすると、加熱容器２２で密閉された空間に露出するＳｉＣの表面積は、凹凸５２ａ、５２ｂが無い場合に比べて増大され、凹凸５２ａ、５２ｂが無い場合よりも大量のＳｉが放出されるので、ＳｉＣ半導体基板１０からＳｉが放出され後を高効率で補充できるようになっている。この場合、凹凸５２ｂの突起の先端とＳｉＣ半導体基板１０表面との間の距離が１ｍｍ〜２０ｍｍになればよい。

また本発明の加熱容器は、蓋部や側壁部をＳｉＣで形成する場合に限定されるものではなく、加熱容器の内部に露出する表面がＳｉＣであればよい。
例えば、図４のアニール装置３のように、加熱容器２３の容器本体部３３と蓋部４３とを、カーボングラファイトで形成し、そのカーボングラファイトの表面に、スパッタ法やＣＶＤ法によってＳｉＣ薄膜５３ａ、５３ｂを形成し、加熱容器２３の内部空間にＳｉＣ薄膜５２ａ、５３ｂが露出するようにしてもよい。

同図の加熱容器２３では、容器本体部３３の内周面全部にＳｉＣ薄膜５３ａ、５３ｂが設けられているが、図５のアニール装置４の加熱容器２４のように、容器本体部３４の底面には、カーボングラファイトを露出させ、その表面上に、不純物層を蓋部４４に向けてＳｉＣ半導体基板１０を配置してもよい(容器本体部３４の側壁の内周面と蓋部４４の加熱容器２４の内部空間に露出する底面にはＳｉＣ薄膜５４ａ、５４ｂが設けられ、ＳｉＣが露出されている)。

なお、上記各アニール装置１〜４では、コイル７１を用いた誘導加熱方式の加熱装置７０によって加熱容器２１〜２４を加熱したが、抵抗加熱ヒータや赤外線ランプ等によって加熱容器２１〜２４とその内部空間に配置されたＳｉＣ半導体基板１０を加熱するようにしてもよい。

本発明に用いるＳｉＣ半導体基板の断面図 本発明の第一例のアニール装置を説明するための図 本発明の第二例のアニール装置を説明するための図 本発明の第三例のアニール装置を説明するための図 本発明の第四例のアニール装置を説明するための図 保護膜が形成されたＳｉＣ半導体基板の断面図

符号の説明

１〜４……アニール装置
２１〜２４……加熱容器
３１〜３４……容器本体部
４１〜４４……蓋部
７０……加熱装置

Claims (4)

1. 加熱容器と、
   前記加熱容器を加熱する加熱装置を有するアニール装置であって、
   前記加熱容器は、底面上にＳｉＣ半導体基板が配置される容器本体部と、前記容器本体部の開口上に配置され、裏面が前記ＳｉＣ半導体基板の表面と対面する蓋部とを有し、
   前記蓋部の前記ＳｉＣ半導体基板と対面する部分はＳｉＣが露出されたアニール装置。
2. 前記加熱容器内の前記ＳｉＣ半導体基板を取り囲む前記容器本体部の側壁部の表面にはＳｉＣが露出された請求項１記載のアニール装置。
3. ＳｉＣ半導体基板を加熱して前記ＳｉＣ半導体基板の熱処理を行なう熱処理方法であって、
   前記ＳｉＣ半導体基板の不純物層が形成された表面を、ＳｉＣが露出する蓋部と対面させ、
   前記ＳｉＣ半導体基板と前記蓋部とを加熱する熱処理方法。
4. 前記ＳｉＣ半導体基板を内周面にＳｉＣが露出するリング状の側壁部によって取り囲み、前記蓋部を加熱する際に前記側壁部を加熱する請求項３記載の熱処理方法。

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